變頻器的組成及其設計

關于變頻器的組成及其設計第一頁，共六十頁，2022年，8月28日引言

變頻器的設計是一個綜合運用多學科知識、解決系統(tǒng)性能指標及可靠性問題的過程，涉及的知識面較廣。其設計理論涉及電機學、計算機技術、測試技術、數(shù)字電路、電力電子技術、自動控制理論、檢測技術、熱力學、機械結構設計等多個學科。因此它的設計也是一個復雜的系統(tǒng)工程問題。

第二頁，共六十頁，2022年，8月28日4變頻器的組成及其設計本章提要交-直-交PWM變頻器的基本結構及作用

變頻器常用電力電子開關器件開關管緩沖電路設計變頻器設計方法

變頻器散熱系統(tǒng)設計

第三頁，共六十頁，2022年，8月28日4.1交-直-交PWM變頻器的基本結構及作用

變頻器的類型也很多，其內部結構也各有不同。本節(jié)將以電壓型通用變頻器為例，介紹一下變頻器的基本結構以及各部分的功能和作用。交-直-交PWM變頻器都具有類似圖4-1所示的基本結構。

第四頁，共六十頁，2022年，8月28日

通用變頻器基本結構第五頁，共六十頁，2022年，8月28日一、變頻器主電路的構成

變頻器的主電路是功率變換的執(zhí)行機構，相當于是負責承重和出力的“骨骼和肌肉”。

變頻器的主電路整流電路直流濾波電路逆變電路輔助電路第六頁，共六十頁，2022年，8月28日

整流電路阻容吸收電路，用作過壓保護，吸收操作過電壓和浪涌電壓。

交流輸入側并聯(lián)RC阻容吸收電路（星接或角接）或并聯(lián)集成壓敏電阻抑制來自三相電網的浪涌電壓。

小功率（10kVA以下）變頻器的整流電路通常只用一個六單元整流模塊組成，幾十kVA的變頻器通常用三個兩單元二極管模塊組成整流電路，上百kVA的變頻器通常用多組兩單元二極管模塊并聯(lián)組成電路。如Fuji公司生產的FRN110G11-4CE型160kVA變頻器整流電路由九個兩單元二極管模塊DD100HB160組成，每一個橋臂由三個模塊并聯(lián)而成。

在通用變頻器中整流電路常常采用全橋式二極管不控整流電路。第七頁，共六十頁，2022年，8月28日直流濾波電路

濾波元件：一般用大容量鋁電解電容。

如Fuji公司的FRN110G11-4CE型變頻器的濾波回路由六只400V/1000μF電解電容三三并聯(lián)后再串聯(lián)組成。作用：首先是對整流器輸出電壓濾波。其次是吸收來自逆變電路由于元件換向或負載變化等原因而產生的紋波電壓和電流。第八頁，共六十頁，2022年，8月28日逆變電路逆變部分可采用SCR、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IPM、IGCT等器件。緩沖電路：與逆變電路的功率開關元件并聯(lián)，用以吸收元件關斷時的關斷浪涌電壓。緩沖電路一般由電阻、電容、二極管組成。

快速熔斷器，它只能直接保護由二極管或晶閘管組成的整流模塊，而對由MOSFET或IGBT等全控型器件組成的逆變電路沒有直接保護作用。第九頁，共六十頁，2022年，8月28日

變頻調速異步電動機的制動控制：可以通過降低變頻器輸出頻率來降低電動機的同步轉速，達到使電動機減速的目的。在電動機的減速過程中，由于同步轉速往往會低于電動機的實際轉速，這時異步電動機便成為異步發(fā)電機，負載機械和電動機所具有的機械能量被饋還給電動機，并在電動機中產生制動力矩。

制動電路第十頁，共六十頁，2022年，8月28日制動電路容量大于18kVA的變頻器：不再內裝制動單元和制動電阻，需要時必須外接制動單元和制動電阻，利用電阻和開關器件組成放電回路。小容量（0.57-13kVA）變頻器；一般內裝制動單元和制動電阻。如果內裝制動電阻的熱容量不夠，則需要再外加制動電阻。對于大、中容量的電壓型變頻器來說，為了節(jié)約能源，一般采用能量回饋有源逆變裝置將能量饋還給供電電源。

第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日圖4-2電壓型通用變頻器控制電路的功能框圖RST保護電路·變頻器保護·電動機保護·驅動系統(tǒng)保護操作·顯示電路·運行操作·參數(shù)設置·運行狀態(tài)顯示·故障顯示整流電路逆變電路濾波電路控制電路FUSEC1C2R1R2UVW速度傳感器電動機R0檢測電路·電流檢測·電壓檢測·速度檢測主控制電路·輸入信號處理頻率（速度）指令運行/停止信號·加減速速率調節(jié)·電動機控制運算V/f，轉差頻率轉矩電流、勵磁電流·PWM波形基極（門極）驅動電路·電壓、電流信號放大·絕緣·波形整形電源主電路電壓檢測電流檢測運行操作運行指令頻率指令J二、變頻器控制電路的基本構成及作用

第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日主控制電路

主控制電路的核心是一個高性能的微處理器，并配以EPROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的輔助電路。主控制電路的硬件相當于變頻器的“大腦”，控制策略和軟件則相當于變頻器的“靈魂”。功能：輸入信號處理加減速速率調節(jié)電機控制運算PWM波形的生成

變頻器大部分都帶有網絡接口，具有與其他設備通信的能力。

第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日保護電路保護電路是變頻器安全可靠運行的“生命線”，其主要作用是根據檢測電路得到的各種信號來判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否異常。

瞬時過電流保護

變頻器輸出電流過大，有可能超過主電路開關器件的容許值，變頻器將關斷開關器件并停止輸出。過電流保護的電流峰值通常設為變頻器額定電流的200%第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日保護電路（2）與瞬時過電流保護是兩個相關而又完全不同的概念。過載保護是逆變器輸出電流超過額定值且維持流通達規(guī)定的時間，即“時間長，過電流幅值小”，體現(xiàn)發(fā)熱的概念；過電流保護是“瞬間電流幅值大”，體現(xiàn)過電流峰值而沒有時間的概念。

對地短路保護

過載保護（電子熱繼電器）

當檢測出變頻器輸出電路對地短路（如電機繞組絕緣受損），并且短路電流超過變頻器額定輸出電流的50％時，該保護功能將起作用，停止變頻器的輸出。

第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日保護電路（3）過電壓保護

若變頻器直流側電壓超過一定值，有可能擊穿濾波電容或電力半導體器件，嚴重時甚至可能殃及變頻器周圍設備和操作人員。過電壓保護和過電流保護有相似之處，需要根據過電壓的程度分別處理。

當減速時間設置過短時，容易發(fā)生過電壓保護，可以適當延長制動時間避免大慣量負載制動時可能出現(xiàn)的過電壓。第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日

當變頻器的供電電壓降低時，直流中間電路的電壓將會下降，從而使變頻器輸出電壓過低，并造成電動機輸出轉矩不足和過熱。而欠電壓保護功能的作用就是，在檢測到直流中間電路的電壓過低時使變頻器停止工作。欠電壓保護

保護電路（4）第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日保護電路（5）（6）散熱器過熱保護

熱敏繼電器將動作，使變頻器停止工作或給出警報信號。（7）控制電路異常保護

當變頻器在自檢過程中或工作過程中檢測到控制電路異常，保護電路將起作用，并停止變頻器輸出，以免造成主電路損壞和給系統(tǒng)帶來更大的破壞。第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日檢測電路

直流電壓檢測電路電流檢測電路輸出電壓檢測電路

輸出電流檢測電路溫度檢測電路

速度檢測電路

霍爾元件

光電編碼器檢測電路相當于是變頻器的“視覺和觸覺”。

第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日外部接口電路

（1）控制指令輸入電路（2）頻率指令輸入電路（3）監(jiān)控信號輸出電路（4）網絡通訊接口電路

數(shù)字操作面板

數(shù)字操作面板的作用主要是給用戶提供一個良好的人機界面

，使變頻器及控制系統(tǒng)的操作和故障檢測等工作變得更加簡單。

第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日三、驅動電路

驅動電路是驅動主電路開關元件的電路，它是控制電路與主電路聯(lián)系的“橋梁和媒介”。它將控制電路送往主電路開關元件的驅動信號放大、隔離后，控制主電路開關元件的通斷。

第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日信號隔離是個關鍵問題，隔離的手段主要有三種：傳統(tǒng)的電力電子器件的驅動方法是采用脈沖變壓器，但是脈沖變壓器存在一定的漏感，使輸出脈沖陡度受到限制。

高性能的數(shù)字光耦抗共模干擾能力極強，可以有效地抑制來自功率電路的干擾信號。其次，光耦的隔離電壓很高。

脈沖變壓器光電耦合器光纖在高壓變頻器中使用第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日控制電源是控制電路和驅動電路的“心臟”，為控制電路和驅動電路提供能源，因而是變頻器中的關鍵環(huán)節(jié)之一。

線性電源指用于電壓調整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的一種直流穩(wěn)壓電源。

開關電源利用高頻開關器件并通過變換技術而制成的高頻開關直流電源，簡稱開關電源。用于電壓調整功能的器件始終以開關方式工作。

四、控制電源

第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日4.2

變頻器常用電力電子開關器件

IGBTIGCT

IGBT（IPM）已經全面取代了GTR成為通用變頻器逆變電路的主流開關器件，而綜合了IGBT和GTO優(yōu)點的IGCT則在與IGBT在高壓領域的競爭中占了上風。第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日一、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

具有工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單的優(yōu)點，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點。

智能型IGBT功率模塊－IPM，內部集成了驅動和保護電路，使用更方便、體積更小、可靠性更高。第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日IGBT的驅動和保護

1）驅動參數(shù)要求IGBT的柵電容較大，所以要提高其開關速度，就要有合適的柵極正反向偏置電壓和柵極串聯(lián)電阻。

（1）柵極電壓任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅動電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值（一般為20V），最佳柵極正向偏置電壓為15V±10％。雖然柵極電壓為零就可使IGBT處于截止狀態(tài)，但為了減小關斷時間，提高IGBT的耐壓、dv/dt耐量和抗干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時，可在柵極加一個-5V~-15V的反向電壓。

第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日IGBT的驅動和保護

（2）柵極串聯(lián)電阻RG選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG對IGBT的驅動相當重要。RG太小會使柵極電壓產生振蕩，同時會使IGBT的dv/dt耐量減小。具體選擇RG時，要參考器件的使用手冊。（3）驅動功率的要求IGBT的開關過程要消耗一定的來自驅動電源的功耗。

第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日

柵極驅動電路的基本形式

柵極驅動電路分為直接驅動、變壓器隔離式和光耦隔離式三種形式，如圖4-11所示。第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日IGBT集成驅動器

為了減小體積，降低噪音，改善驅動性能，實現(xiàn)快速保護，現(xiàn)在已經有一系列的IGBT集成驅動器用于各種IGBT模塊。常用的集成驅動器有富士公司的EXB840、841、850、851系列，IR公司的IR2100系列，Motorola公司的MC35153，Unitrode公司的UC×705~×715、HR065、M57957~M57963系列等等。第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日IGBT的保護主要包括dv/dt保護、過流保護（包括短路保護）、熱保護和非工作狀態(tài)保護等。

（1）dv/dt保護IGBT的C、E之間能承受的電壓上升率dv/dt是有限的。為了保證dv/dt產生的位移電流不至于使IGBT誤導通，有必要限制C、E之間的dv/dt。保護措施：加緩沖電路第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日IGBT的保護（2）過流和負載短路保護

當IGBT集電極或負載短路時，由其輸出特性可知，其飽和壓降會顯著上升。通過檢測IGBT的導通壓降就可以判定它是否過流和短路。如果過流，首先削弱驅動約8~10μs，再加反向驅動電壓，關斷IGBT，以免因產生過高的dv/dt和浪涌電壓導致IGBT關斷失敗而造成損壞。第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日IGBT的保護（3）非工作狀態(tài)保護由于IGBT的柵極是薄的絕緣柵，在運輸、貯存、測量、裝焊等方面都應采取相應的保護措施。在任何時候都要小心，防止柵極靜電擊穿。IGBT模塊在出廠時一般都在控制極與發(fā)射極上裝有導電泡沫塑料或粘有導電銅箔，要一直保留到往柵極上壓線或進行無靜電焊線時再拿下來。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日二、智能功率模塊（IPM）

特點：保護功能齊全，使用方便1）開關速度快2）低功耗3）快速過流保護4）過熱保護5）橋臂對管互鎖保護6）優(yōu)化的柵極驅動電路和保護電路7）驅動電源欠壓保護。

第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日三、集成門極換流晶閘管IGCT的性能和應用

90年代中期，ABB公司通過優(yōu)化GTO門極驅動單元和器件外殼設計，采用集成門極等技術，大大降低了門極驅動回路中的電感，并采用負門極電流上升率的方法來縮短貯存時間，這就是所謂的GTO“硬驅動”技術，從而產生了新型功率器件集成門極換流晶閘管IntegratedGate-CommutatedThyristorIGCT），它將門極換流晶閘管通過印刷電路板與門極驅動裝置連成一個整體。

它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關性能，即它綜合了GTO和IGBT兩者的優(yōu)點。

第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日應用

目前，IGBT和IGCT占領了大功率器件的應用領域。就功率裝置的電流和電壓而言，這兩種器件具有很大的互補性。在實際應用中：電壓較低時選用IGBT，電壓較高時選用IGCT。根據應用和設計的標準不同，在1800~3300V之間，兩種器件交叉使用，IGBT較適于功率較小的裝置，而IGCT則更適用于功率較大的裝置。

第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日4.3

變頻器設計方法第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日4.3

變頻器設計方法

一、變頻調速系統(tǒng)設計的一般性方法

（1）控制系統(tǒng)總體方案設計，明確系統(tǒng)的總體要求。（2）設計主電路拓撲結構，選定逆變器件類型；（3）確定控制策略和控制方式；（4）選擇主控制芯片；（5）選擇各物理量的傳感器和檢測電路；（6）系統(tǒng)硬件設計，軟件設計第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日1.選擇主電路拓撲結構

（1）普通三相變頻器通常也稱為二電平變頻器，即第二章中所講的交-直-交型變頻器，這種拓撲結構比較簡單，為了獲得大功率可采用器件的串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)。

根據系統(tǒng)容量的大小以及實際要求選擇合理的變頻調速系統(tǒng)主電路拓撲結構。第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日1.選擇主電路拓撲結構（2）交-交變頻電路

主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉速的交流調速電路中。（3）高-低-高電路這是高壓變頻器的典型結構之一。第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日1.選擇主電路拓撲結構（4）直接高壓變頻調速

在高壓大功率的場合，采用三電平技術直接獲得高壓輸出，或采用多重化技術將多個低壓逆變橋并聯(lián)/串聯(lián)起來獲得大電流/高電壓，再加上一定的相移，可得到接近正弦的電壓輸出。

第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2.確定控制系統(tǒng)方案

確定控制系統(tǒng)方案

根據系統(tǒng)的要求:首先確定系統(tǒng)是通用型的，還是高性能的，還是有特殊要求的；其次要確定系統(tǒng)的控制策略，是采用U/f控制、矢量控制，還是采用直接轉矩控制等；第三要確定是采用單機控制系統(tǒng)還是主從控制系統(tǒng)等。

第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日3.選擇傳感器和檢測電路

在確定總體方案時，必須首先選擇好傳感器和檢測電路，它是影響控制精度的重要因素之一。主要測量電壓、電流、溫度、速度等物理量。

4.選擇CPU和輸入/輸出通道及外圍設備

5.畫出整個系統(tǒng)原理圖

第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日二、變頻器主電路設計

整流器輸出接濾波電容，穩(wěn)定工作時流過變壓器副邊的相電流如圖4-24所示。整流二極管（VD1~VD6）的選擇

通過三相整流橋的每個整流二極管的電流波形近似為方波，如圖4-25所示。則流過二極管的電流有效值為第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日二、變頻器主電路設計故二極管的電流定額值為

二極管的耐壓

式中，U2lm—–整流器輸入線電壓峰值。

第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日二、變頻器主電路設計平滑濾波電容（C’）的選擇考慮電解電容用作濾波時，和負載的等效電阻的乘積（時間常數(shù)）應遠遠大于三相整流橋輸出電壓的脈動周期T=0.0033s（即為3.3ms），則

其中Rf為負載等效電阻。

第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日二、變頻器主電路設計考慮將用作吸收異步電動機的回饋能量時，其容量只能按能量關系來近似估計。電動機驟停時，機械儲能與漏感儲能之和等于電容上的儲能，即

設過壓系數(shù)K=u1/u0（K＞1），則

上式表明，當電壓泵升值一定時，負載側儲能越大，濾波電容的容量也越大。而當儲能一定時，泵升電壓值越低，K越小，所需的電容量也就越大。

第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日二、變頻器主電路設計第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日二、變頻器主電路設計IGBT（VT1~VT6）的選擇（1）要根據負載的最嚴重情況選擇IGBT，如要適當考慮異步電動機的啟動電流，要考慮交流電流的峰值。因此，通過IGBT的集電極電流（2）IGBT的耐壓Uceo至少應為實際承擔的最大峰值電壓的1.2倍以上，即

第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日（二）11.2kVA變頻器設計舉例

某雙面銑組合機床的機械滑臺，由原來的齒輪變速改造成變頻調速。要求速度變化范圍為16~750r/min，以滿足工作進給和快速返回的加工工藝要求。試設計變頻器。已知被控對象的原始數(shù)據：

異步電動機型號：Y132M2—6

額定功率：5.5kW

額定電壓：380V

額定電流：12.6A

額定轉速：960r/min系統(tǒng)能提供2倍的額定轉矩。

第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日設計步驟：決定變頻器的工作方式由設計要求可知，調速范圍為1:47，低速性能要求高，故選用雙極性IGBT-SPWM工作方式。設計變頻器的主電路由于采用雙極性IGBT-SPWM變頻器，變頻器的主電路如圖2-18所示。第五十四頁，共六十頁，2022年，8月28日變頻器的功率開關管的計算（1）計算通過IGBT的峰值電流ImIm由系統(tǒng)